Беватрон был ускорителем частиц — а именно, слабофокусирующим протонным синхротроном — в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли , США, который начал работу в 1954 году. [ 1] Антипротон был открыт там в 1955 году, что привело к присуждению Нобелевской премии по физике в 1959 году Эмилио Сегре и Оуэну Чемберлену . [2] Он ускорял протоны до фиксированной мишени и был назван так из-за своей способности передавать энергию в миллиарды эВ («синхротрон на миллиарды эВ»).
В то время, когда был разработан Беватрон, существовали серьезные подозрения, но не было известно, что каждая частица имеет соответствующую античастицу противоположного заряда, идентичную во всех других отношениях, свойство, известное как симметрия заряда . Антиэлектрон, или позитрон , был впервые обнаружен в начале 1930-х годов и теоретически понят как следствие уравнения Дирака примерно в то же время. После Второй мировой войны положительные и отрицательные мюоны и пионы наблюдались во взаимодействиях космических лучей, наблюдавшихся в камерах Вильсона и стопках ядерных фотографических эмульсий . Беватрон был построен так, чтобы быть достаточно энергичным, чтобы создавать антипротоны и, таким образом, проверять гипотезу о том, что каждая частица имеет соответствующую античастицу. [3] В 1955 году с помощью Беватрона был открыт антипротон . [4] Антинейтрон был открыт вскоре после этого группой Брюса Корка , Глена Ламбертсона, Оресте Пиччони и Уильяма Венцеля в 1956 году, [5] также на Беватроне. Подтверждение гипотезы симметрии заряда в 1955 году привело к присуждению Нобелевской премии по физике Эмилио Сегре и Оуэну Чемберлену в 1959 году. [4]
Вскоре после начала использования Беватрона было признано, что четность не сохраняется в слабых взаимодействиях , что привело к разрешению загадки тау-тета , пониманию странности и установлению симметрии CPT как базовой характеристики релятивистских квантовых теорий поля .
._Photographer_unknown._October_6,_1955._BEV-938._ANTI-PROTON_SET-UP_WITH_WORK_GROUP;_E._SEGRE,_C._HAER_CAL,1-BERK,4-34.tif/lossy-page1-1280px-thumbnail.tif.jpg)
Для создания антипротонов (масса ~938 МэВ / c2 ) при столкновениях с нуклонами в неподвижной мишени с сохранением энергии и импульса требуется энергия протонного пучка приблизительно 6,2 ГэВ . На момент его создания не было известного способа ограничить пучок частиц узкой апертурой , поэтому пространство пучка составляло около четырех квадратных футов в поперечном сечении. [6] Сочетание апертуры пучка и энергии требовало огромного, 10 000-тонного железного магнита и очень большой вакуумной системы.
Большая система мотор-генератора использовалась для наращивания магнитного поля для каждого цикла ускорения. В конце каждого цикла, после использования или извлечения луча, большая энергия магнитного поля возвращалась для раскрутки двигателя, который затем использовался в качестве генератора для питания следующего цикла, сохраняя энергию; весь процесс занимал около пяти секунд. Характерный нарастающий и падающий, воющий звук системы мотор-генератора можно было услышать во всем комплексе, когда машина работала.
В годы, последовавшие за открытием антипротонов, здесь была проделана большая пионерская работа с использованием пучков протонов, извлекаемых из самого ускорителя, для поражения целей и генерации вторичных пучков элементарных частиц, не только протонов, но и нейтронов, пионов , « странных частиц » и многих других.
Извлеченные пучки частиц, как первичные протоны, так и вторичные, в свою очередь могли быть переданы для дальнейшего изучения через различные мишени и специализированные детекторы, в частности, жидководородную пузырьковую камеру . Многие тысячи взаимодействий частиц, или «событий», были сфотографированы, измерены и подробно изучены с помощью автоматизированной системы больших измерительных машин (известных как «Франкенштейны», по имени их изобретателя Джека Франка) [7], позволяющих операторам-людям (обычно женам аспирантов) отмечать точки вдоль треков частиц и вбивать их координаты в карты IBM, используя ножную педаль. Затем колоды карт анализировались компьютерами раннего поколения, которые реконструировали трехмерные треки через магнитные поля и вычисляли импульсы и энергию частиц. Затем компьютерные программы, чрезвычайно сложные для своего времени, подгоняли данные треков, связанные с данным событием, для оценки энергий, масс и идентичностей полученных частиц.
Этот период, когда сотни новых частиц и возбужденных состояний были внезапно обнаружены, ознаменовал начало новой эры в физике элементарных частиц. Луис Альварес вдохновил и руководил большей частью этой работы, за которую он получил Нобелевскую премию по физике в 1968 году.
Беватрон получил новую жизнь в 1971 году, [8] когда он был присоединен к линейному ускорителю SuperHILAC в качестве инжектора для тяжелых ионов. [9] Комбинация была задумана Альбертом Гиорсо , который назвал ее Бевалак. [10] Он мог ускорять широкий спектр стабильных ядер до релятивистских энергий. [11] Он был окончательно выведен из эксплуатации в 1993 году.
Следующее поколение ускорителей использовало «сильную фокусировку» и требовало гораздо меньших апертур, а значит, и гораздо более дешевых магнитов. CERN PS ( протонный синхротрон , 1959) и Brookhaven National Laboratory AGS ( альтернативный градиентный синхротрон , 1960) были первыми машинами следующего поколения с апертурой примерно на порядок меньше в обоих поперечных направлениях и достигающей энергии протонов 30 ГэВ, но с менее массивным магнитным кольцом. Для сравнения, циркулирующие пучки в Большом адронном коллайдере с энергией примерно в 11 000 раз большей и чрезвычайно высокой интенсивностью, чем у Беватрона, ограничены пространством порядка 1 мм в поперечном сечении и сфокусированы до 16 микрометров в областях пересечения столкновений, в то время как поле изгибающих магнитов всего примерно в пять раз больше.
Снос Беватрона начался в 2009 году и был завершён в начале 2012 года. [12]
